DE10202287C1 - Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Brückenschaltung bestehend aus mehreren, als magneto-resistive Elemente ausgebildeten Brückengliedern und eine hiernach hergestellte monolithische Brückenschaltung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Brückenschaltung, bestehend aus mehreren, insbesondere vier als magnetoresistive Elemente ausgebildeten Brückengliedern (4), wobei jedes Brückenglied eine magnetische Referenzschicht (9) und eine dieser benachbarte Schicht (8) aus einem natürlichen Antiferromagneten aufweist, bei welchem Verfahren zur Einstellung der Magnetisierung der Referenzschichten der Brückenglieder in wenigstens zwei unterschiedliche Richtungen lokal unterschiedlich gerichtete Einstellfelder (H¶ext¶) unter Verwendung eines benachbart zu den Brückengliedern anzuordnenden, stromtragende Leiterbahnen (7) aufweisenden Felderzeugungsmittels erzeugt werden, wonach im feldfreien Zustand die Brückenglieder über die blocking-Temperatur (T¶blocking¶) der natürlichen Antiferromagnetschicht erwärmt und wieder abgekühlt werden, so dass die magnetische Ordnung der Antiferromagnetschicht der Magnetisierung der benachbarten Referenzschicht folgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Brückenschaltung bestehend aus mehreren, ins­ besondere vier als magneto-resistive Elemente ausgebildeten Brückengliedern, wobei jedes Brückenglied eine magnetische Referenzschicht und eine dieser benachbarte Schicht aus einem natürlichen Antiferromagneten aufweist.

Derartige Brückenschaltungen kommen beispielsweise als Win­ kelsensoren zum Einsatz. Eine solche Brückenschaltung besteht aus mehreren, bei einem 360°-Winkelsensor vier Brückenglie­ dern, wobei jedes Brückenglied als magneto-resistives Sensor­ element ausgebildet ist. Ein solches Element kann in Form ei­ nes TMR- oder eines GMR-Elements konfiguriert sein (TMR = tunnel magneto resistive, GMR = giant magneto resistive). Je­ des Element besitzt eine Referenzschicht, die eine feste, von einem externen zu messenden Magnetfeld unveränderliche Magne­ tisierung in einer ausgezeichneten Richtung aufweist. Dieser Referenzschicht ist eine weichmagnetische Messschicht zuge­ ordnet, die im Falle eines TMR-Elements über eine nicht lei­ tende Tunnelbarriere oder über eine entkoppelnde Schicht aus einem metallischen unmagnetischen Material im Falle eines GMR-Elements von der Referenzschicht getrennt ist. Die Magne­ tisierungsrichtung der Messschicht, die in einem externen zu messenden Feld variiert werden kann, relativ zur Magnetisie­ rungsrichtung der Referenzschicht wird in an sich bekannter Weise zur Ermittlung des Messergebnisses ausgewertet.

Zentraler Bedeutung kommt die Steifigkeit der Referenz­ schichtmagnetisierung zu. Hierzu ist es bekannt, die Refe­ renzschicht mit einer darunter befindlichen Schicht aus einem natürlichen Antiferromagneten zu koppeln bzw. die Referenz­ schichtmagnetisierung über die Magnetisierung des Antiferro­ magneten zu pinnen (exchange bias). Als natürlicher Antifer­ romagnet kann z. B. IrMn verwendet werden (vgl. z. B. DE 101 17 355 A1).

Problematisch im Stand der Technik bei der Herstellung von monolithischen, also auf einem gemeinsamen Substrat aufgebau­ ten Brückenschaltungen, bei denen die Referenzschichten der Brückenglieder in unterschiedlichen Richtungen magnetisiert sind, ist es jedoch, diese Magnetisierung während des Her­ stellungsprozesses einzustellen. Zum Einstellen der Vormagne­ tisierungsrichtung der einzelnen Brückenglieder sind zwei Ab­ scheideprozesse in einem externen Magnetfeld unterschiedli­ cher Richtung erforderlich. Die Magnetfeldrichtungen stehen orthogonal zueinander oder einander entgegengesetzt, je nach­ dem wie die Arbeitsweise der Brückenschaltung ausgelegt ist. Dieses Verfahren ist jedoch nachteilig, da zwei separate Ab­ scheideprozesse und mit ihnen verbunden zwei separate Masken­ schritte erforderlich sind.

Es ist auch bekannt, in monolithischen Brückenschaltungen von magnetoresistiven Brückenelementen mit GMR-Effekt unter­ schiedliche Magnetisierungsrichtungen in den Referenzschich­ ten einzelner Elemente dadurch einzustellen, dass man die Elemente nacheinander auf einem erhöhten Temperaturniveau magnetisiert (vgl. z. B. DE 198 30 344 A1; WO 00/79298 A2; US 5,686,837 A).

Eine Einstellung unterschiedlicher Magnetisierungsrichtungen in Referenzschichten von magnetoresistiven Sensorelementen in solchen monolithischen Brückenschaltungen ist auch möglich, indem man den Elementen besondere, isolierte Stromleiter zu­ ordnet, durch die bei Stromdurchfluss in einer vorgegebenen Richtung ein gewünschtes magnetisches Einstellfeld erzeugt wird (vgl. z. B. EP 0 710 850 A2).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren an­ zugeben, das auf einfache Weise die Einstellung der Referenz­ schichtmagnetisierungen und die Einstellung der magnetischen Ordnung der pinnenden Antiferromagnetschicht bei Brücken­ schaltungen mit Brückengliedern, deren Vormagnetisierungs­ richtungen zueinander unter einem Winkel stehen, zulässt.

Zur Lösung dieses Problems ist ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art vorgesehen, bei dem zur Einstellung der Magneti­ sierung der Referenzschichten der Brückenglieder in wenigs­ tens zwei unterschiedliche Richtungen lokal unterschiedlich gerichtete Einstellfelder unter Verwendung eines benachbart zu den Brückengliedern anzuordnenden, stromtragende Leiter­ bahnen aufweisenden Felderzeugungsmittels erzeugt werden, wo­ nach im feldfreien Zustand die Brückenglieder über die blo­ cking-Temperatur der natürlichen Antiferromagnetschicht er­ wärmt und wieder abgekühlt werden, so dass die magnetische Ordnung der Antiferromagnetschicht der Magnetisierung der be­ nachbarten Referenzschicht folgt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die unterschiedlich ge­ richtete Magnetisierung aller einzustellenden Brückenglieder in einem einzigen Einstellschritt erfolgen. Das heißt die Brückenschaltung- bzw. die Brückenschaltungen, da auf dem Substrat bzw. Wafer eine Vielzahl einzelner Brückenschaltun­ gen gemeinsam aufgebaut werden - können gemeinsam hergestellt und erst anschließend in ihrer Magnetisierung eingestellt werden. Hierbei nutzt man zum einen ein externes Felderzeu­ gungsmittel, z. B. eine Folie, die stromtragende Leiterbah­ nen, z. B. in aufgedampfter Form, aufweist, und die benach­ bart zu der Brückenschaltung bzw. dem Substrat angeordnet wird. Über die Leiterbahnen geführte Strompulse werden nun die hohen Einstellfelder erzeugt, wobei diese Einstellfelder, je nachdem wie die Leiterbahnen geführt sind, in eine be­ stimmte Richtung ausgerichtet sind. Mittels dieser Einstell­ felder werden nun die Referenzschichten in die jeweiligen Richtungen eingestellt. Um auch die angrenzenden Antiferro­ magnetschichten einzustellen bzw. deren Ordnung auszurichten, die für das exchange biasing parallel zur Magnetisierungs­ richtung der benachbarten Referenzschicht sein muss, werden nun die Brückenglieder erwärmt, und zwar bis über die blo­ cking-Temperatur der natürlichen Antiferromagnetschicht. Oberhalb dieser Temperatur ist die Ordnung des Antiferro­ magneten aufgehoben. Durch anschließendes Abkühlen der Anti­ ferromagnetschicht unterhalb ihrer blocking-Temperatur stellt sich nun seine magnetische Ordnung wieder ein und zwar der­ art, dass sie der Magnetisierung der benachbarten Referenz­ schicht unmittelbar folgt und diese nach Erreichen der Raum­ temperatur in der eingeprägten Richtung festhält (pinnt). Das heißt durch diesen kurzzeitigen Erwärmungsschritt ist es mög­ lich, die Referenzschichtmagnetisierung in die Antiferro­ magnetschicht zu übertragen bzw. dort abzubilden und diese entsprechend auszurichten.

Als Brückenglieder können solche mit einer aus einer Einzel­ schicht bestehenden Referenzschicht verwendet werden. Diese Einzelschicht ist unmittelbar benachbart zur Antiferromagnet­ schicht und wird hierüber gepinnt. Alternativ dazu können auch Brückenglieder mit einer aus einem AAF-Schichtsystem (AAF = artificial anti ferromagnet) bestehenden Referenz­ schicht verwendet werden. Ein solches AAF-Schichtsystem um­ fasst zwei magnetische Schichten (z. B. aus CoFe), die über eine entgegengesetzt koppelnde Kopplungsschicht (z. B. aus Ru) getrennt sind bzw. hierüber koppeln. Eine der beiden Mag­ netschichten ist in diesem Fall benachbart zur Antiferro­ magnetschicht angeordnet, über diese erfolgt die Einstellung der magnetischen Ordnung der Antiferromagnetschicht. Dabei ist es zweckmäßig, wenn Brückenglieder mit zwei unterschied­ lich dicken magnetischen Schichten innerhalb des AAF- Schichtsystems verwendet werden, wobei die dickere Schicht der Antiferromagnetschicht benachbart ist. Beim Einstellen der Magnetisierung des AAF-Schichtsystems unter Verwendung des externen Felderzeugungsmittels werden die Magnetisierun­ gen beider magnetischen Schichten des AAF-Schichtsystems in die gleiche Richtung eingestellt. Nach Abschalten des Feldes dreht die Magnetisierung einer Schicht aufgrund der entgegen­ gesetzten Kopplung über die mittige Kopplungsschicht um 180°. Um zu vermeiden, dass diese zurückdrehende Schicht die die Antiferromagnetschicht benachbarte Schicht ist, sollte diese dicker als die zweite Magnetschicht sein, da in einem solchen Fall die dickere Schicht in ihrer ursprünglichen Vorzugsrich­ tung verbleibt und die dünnere Schicht dreht. Hierdurch wird vermieden, dass während des Rückdrehprozesses in der dem An­ tiferromagneten benachbarten AAF-Schicht Bereiche mit nicht einheitlicher Magnetisierungsrichtung entstehen, die nachtei­ lig für den exchange-bias-Effekt sind.

Für eine möglichst stabile Magnetisierung der Referenzschicht ist es zweckmäßig, wenn Brückenelemente mit Referenzschichten mit einer ausgeprägten Anisotropie verwendet werden. Die Ani­ sotropie innerhalb der Referenzschicht führt dazu, dass sich zum einen die Magnetisierung bevorzugt und leicht in diese Vorzugsrichtung (leichte Achse) dreht, und dass zum anderen die Hysteresekurve, die das magnetische Verhalten der Refe­ renzschicht beschreibt, einen quasi - rechteckigen Verlauf zeigt. Das heißt die Remanenzfeldstärke entspricht annähernd vollständig der Sättigungsmagnetisierung. Dadurch stellt sich beim Abkühlen von einer Temperatur oberhalb der blocking- Temperatur die jeweils maximale Ordnung in dem Exchange bis Kopplungssystem (an der Grenzschicht zwischen Referenzschicht und natürlichem Antiferromagneten) ein. Zweckmäßigerweise verwendet man zum Einstellen antiparalleler Magnetisierung der Brückenglieder Referenzschichten mit einachsiger Ani­ sotropie. Es ist aber auch denkbar, Brückenelemente mit Refe­ renzschichten mit einer kubischen Anisotropie zu verwenden, wo also zwei ausgezeichnete und unter einem Winkel von 90° zueinander stehende Vorzugsrichtungen gegeben sind.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine monolithische Brückenschaltung umfassend mehrere magneto-resistive Brückenglieder, welche Brückenschaltung ge­ mäß dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellt ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Brückenschaltung mit vier Brückengliedern, von deren Referenzschichten in jeweils zwei unterschiedliche Richtungen einge­ stellt sind,

Fig. 2A bis 2D die unterschiedlichen Schritte zur Einstellung der Magnetisierung zweier Brückenglieder mit einer Re­ ferenzschicht aus einem AAF-Schichtsystem, und

Fig. 3A bis 3D die Schritte zur Einstellung der Magnetisierung zweier Brückenglieder mit einer aus einer Einzel­ schicht bestehenden Referenzschicht.

Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze eine erfindungsgemä­ ße Brückenschaltung 1 bestehend aus vier Brückenglieder 2, 3, 4, 5, die entsprechend miteinander verschaltet sind. Zu jedem Brückenglied 2, 3, 4, 5 ist mittels des Pfeiles die jeweilige Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht dargestellt. Er­ sichtlich stehen die Magnetisierungsrichtungen der Brücken­ glieder 2, 3 entgegengesetzt zu denen der Brückenglieder 4, 5. Um diese unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen er­ zeugen zu können bedient man sich eines externen Felderzeu­ gungsmittels 6, z. B. in Form einer Folie, auf der eine Lei­ terbahn 7 vorgesehen ist, wobei in Fig. 1 lediglich die Lei­ terbahn 7 aus Übersichtlichkeitsgründen dargestellt ist. Über diese Leiterbahn 7 wird nun in Pulsform ein Strom geführt, wie durch das I-Symbol und den Pfeil angedeutet ist. Aufgrund der Schleifenform der Leiterbahnführung werden zwangsläufig Brückengliedern 2 und 3 bzw. 4 und 5 erzeugt, denen dann die Magnetisierung der Referenzschicht folgt.

In den Fig. 2A bis 2D ist der prinzipielle Ablauf der Mag­ netisierung der Brückenglieder dargestellt. Gezeigt sind zwei Brückenglieder, z. B. die Brückenglieder 2 und 4 aus Fig. 1. Jedes Brückenglied besteht aus einer unteren Schicht 8 aus einem Antiferromagneten, gefolgt von einer Referenzschicht 9, die beispielsweise im Falle eines TMR-Brückenglieds über eine Tunnelbarriere 10 von einer weichmagnetischen Messschicht 11 getrennt ist. Die Messschicht 11 ist z. B. aus Permalloy, die Tunnelbarriere aus Al₂O₃. Die Referenzschicht 9 ist hier in Form eines AAF-Schichtsystems realisiert, bestehend aus einer oberen magnetischen Schicht 12, einer unteren magnetischen Schicht 13 und einer beide magnetischen Schichten 12, 13 ent­ gegengesetzt koppelnden Kopplungsschicht 14. Die Magnet­ schichten sind z. B. aus CoFe, die Kopplungsschicht aus Ru. Ersichtlich ist die untere magnetische Schicht 13 etwas di­ cker als die obere.

Unter Verwendung der Felderzeugungsmittel 6 mit der Leiter­ bahn 7 werden nun bei Bestromen der Leiterbahn 7, die unmit­ telbar oberhalb der Brückenglieder 2, 4, jedoch etwas beabstandet davon verläuft, externe Einstellfelder am Ort der Brückenglieder 2, 4 erzeugt, was durch H_ext = 1 angedeutet ist. Die Feldstärke muss natürlich so groß sein, dass sie mindes­ tens gleich oder größer als die Sättigungsfeldstärke der mag­ netischen Schichten 12, 13 ist. Aufgrund der Führung der Lei­ terbahn 7 sind die erzeugten Felder am Ort der Brückenglieder 2, 4 entgegengesetzt zueinander gerichtet, wie durch die Pfeile an den die Magnetfelder darstellenden Ellipsen ange­ deutet ist. Sie liegen parallel zur leichten Achse der eine starke einachsige Anisotropie aufweisenden Schichten 12, 13. Aufgrund der unterschiedlichen Feldausrichtung richten sich auch die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 12, 13 unterschiedlich in Richtung der leichten Achse aus, wobei die Magnetisierungen beider Schichten innerhalb eines Brücken­ gliedes jedoch gleichgerichtet sind, solange das externe Ein­ stellfeld anliegt.

Wird nun das externe Einstellfeld zurückgenommen, was in Fig. 2C mit H_ext = 0 angedeutet ist, so dreht die Magnetisierung der oberen dünneren magnetischen Schicht 12 aufgrund der entge­ gengesetzten Kopplungswirkung der Kopplungsschicht 14 um, das heißt sie steht entgegengesetzt zur Magnetisierung der unte­ ren magnetischen Schicht 13. Es stellt sich nun ein remanen­ ter Zustand ein, wie er in Fig. 2C dargestellt ist. Um nun die magnetische Ordnung der Antiferromagnetschicht 8, die bis dato noch nicht bezüglich der Magnetisierung der Referenz­ schicht 9 bzw. hier der magnetischen Schicht 13 ausgerichtet ist, entsprechend einzustellen werden die Brückenglieder bis auf eine Temperatur oberhalb der blocking-Temperatur T_blocking erwärmt. Oberhalb dieser Temperatur verliert der Antiferro­ magnet seine magnetische Ordnung. Anschließend wird abge­ kühlt, ein Feld liegt während der gesamten Zeit nicht an. So­ bald die Temperatur die blocking-Temperatur T_blocking unter­ schreitet stellt sich die magnetische Ordnung der Antiferro­ magnetschicht 8 wieder ein, wobei sie hierbei unmittelbar der Magnetisierung der angrenzenden magnetischen Schicht 13 der Referenzschicht 9 folgt, das heißt die Magnetisierungsrich­ tung der magnetischen Schicht 13 wird in die Antiferromagnet­ schicht 8 unmittelbar übertragen. Die Antiferromagnetschicht 8 pinnt nun die Magnetisierung der magnetischen Schicht 13, die im gezeigten Beispiel eine einachsige Anisotropie auf­ weist, in welcher sich die Magnetisierung eingestellt hat.

Die Fig. 3A bis 3D zeigen den Magnetisierungsablauf für zwei Brückenglieder, beispielsweise für die beiden Brücken­ glieder 2, 4, die hier jedoch etwas anders aufgebaut sind. Sie umfassen ebenfalls eine Antiferromagnetschicht 15 sowie eine Referenzschicht 16, bei der es sich hier jedoch um eine Einzelschicht handelt. Über eine Tunnelbarriere 17 ist diese Referenzschicht von einer Messschicht 18 getrennt.

Die Verfahrensschritte zum Magnetisieren der Referenzschicht 16 und nachfolgend zum Einstellen der magnetischen Ordnung der Antiferromagnetschicht 15 sind die gleichen wie bezüglich der Fig. 2A bis 2D beschrieben. Zunächst wird durch Bestromen der Leiterbahn 7 das jeweilige, am unmittelbaren Ort der Brückenglieder 2, 4 unterschiedlich gerichtete Ein­ stellfeld erzeugt, was dazu führt, dass sich die Magnetisie­ rung der Referenzschicht 16 entsprechend ausrichtet. Nach Ab­ schalten des Feldes ergibt sich ein remanenter Zustand wie in Fig. 2C gezeigt. Anschließend erfolgt die Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der blocking-Temperatur der Antiferro­ magnetschicht 15. Nach erneutem Abkühlen stellt sich die mag­ netische Ordnung der Antiferromagnetschicht 15 entsprechend der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 16, die auch hier eine einachsige Anisotropie besitzt, ein.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Brücken­ schaltung bestehend aus mehreren, insbesondere vier als magneto-resistive Elemente ausgebildeten Brückenglie­ dern, wobei jedes Brückenglied eine magnetische Refe­ renzschicht und eine dieser benachbarte Schicht aus einem natürlichen Antiferromagneten aufweist, bei wel­ chem Verfahren zur Einstellung der Magnetisierung der Referenzschichten der Brückenglieder in wenigstens zwei unterschiedliche Richtungen lokal unterschiedlich ge­ richtete Einstellfelder unter Verwendung eines benach­ bart zu den Brückengliedern anzuordnenden, stromtragende Leiterbahnen aufweisenden Felderzeugungsmittels erzeugt werden, wonach im feldfreien Zustand die Brückenglieder über die blocking-Temperatur der natürlichen Antiferro­ magnetschicht erwärmt und wieder abgekühlt werden, so dass die magnetische Ordnung der Antiferromagnetschicht der Magnetisierung der benachbarten Referenzschicht folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass Brückenglieder mit einer aus einer Einzelschicht bestehenden Referenz­ schicht verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass Brückenglieder mit einer aus einem AAF-Schichtsystem bestehenden Referenz­ schicht verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass Brückenglieder mit zwei unterschiedlich dicken magnetischen Schichten in­ nerhalb des AAF-Schichtsystems verwendet werden, wobei die dickere Schicht der Antiferromagnetschicht benach­ bart ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brückenelemente mit Referenzschichten mit einer ausge­ prägten Anisotropie verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass Brückenelemente mit Referenzschichten mit einachsiger oder kubischer Ani­ sotropie verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Felderzeugungsmittel eine Leiterbahnen aufweisende Folie verwendet wird.

8. Monolithische Brückenschaltung umfassend mehrere magne­ to-resistive Brückenglieder, hergestellt nach dem Ver­ fahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.